Bestimmung des Kohlenstoffflusses im Zentralstoffwechsel von Corynebacterium glutamicum mittels $^{13}$C-Isotopenanalyse

Marx, A.

Book/Report

FZJ-2019-03174

Bestimmung des Kohlenstoffflusses im Zentralstoffwechsel von Corynebacterium glutamicum mittels $^{13}$C-Isotopenanalyse

Marx, A. (Corresponding author)FZJ*

1997
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 3459, 111 p. (1997)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/22240

Report No.: Juel-3459

Abstract: Je nach Stoffwechsellage werden dem Zentral stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum unterschiedliche Mengen an Metaboliten und Reduktionsäquivalenten entzogen, was eine Veränderung intrazellulärer Metabolitflüsse zur Folge hat. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Quantifizierung aller Kohlenstoffflüsse des Zentralstoffwechsels und die Aufklärung der Rolle und Koordination der einzelnen Stoffwechselwege bei verschiedenen Stoffwechsellagen. 1. Ein generalisierbares Verfahren wurde etabliert, mit dem auf einer breiten Basis an $^{13}$C-Isotopendaten zu isolierten Zellbestandteilen computergestützt alle Metabolitflüsse desZentralstoffwechsels quantifiziert wurden. Zwischen Metabolitflüssen und $^{13}$C-Isotopendaten wurden starke Sensitivitäten nachgewiesen, die eine Metabolitfluß-Bestimmung ermöglichten. So zeigte der $^{13}$C-Gehalt der Position Oxalacetat C-4 durch eine Variation um den Faktor zwei an, ob die anaplerotische Bildung von C$_{4}$-Körpern über die Carboxylierung von C$_{3}$-Körpern oder den Glyoxylat-Cyclus verlief. Für die bidirektionale Umsetzung der Transketolase und den $^{13}$C-Gehalt der Position Pentose-5-Phosphat C-1 sowie für den bidirektionalen Metabolitfluß zwischen C$_{3}$-Körpern der Glycolyse und C$_{4}$-Körpern des Tricarbonsäure-Cyclus und die $^{13}$C-Anreicherung der Position Oxalacetat C-2 wurde ein hyperbolischer Zusammenhang nachgewiesen. 2. Eine NADPH-Bilanz auf der Basis der ennittelten Metabolitflüsse zeigte, daß durch die Reaktionen des Zentralstoffwechsels je nach Bedingung in unterschiedlichem Ausmaß mehr NADPH produziert wurde als für die Synthese von Biomasse und Produkten erforderlich. Mit diesem NADPH-Überschuß in Höhe eines Flusses von 16 bis 67 %, relativ zur Glucose-Aufnahmerate fonnuliert, lag erstmals für $\textit{C. glutamicum}$ ein Hinweis auf die in vivo Aktivität zellulärer NADPH-verbrauchender Prozesse vor, die nicht an die Biomasse- und Produkt-Synthese gekoppelt sind. 3. Je nach Stoffwechsellage wurde ein unterschiedlich starker C$_{4}$-Körper-Decarboxylierungsfluß von 10 bis 132 % beobachtet. Dieser war der Carboxylierung von C$_{3}$-Körpern zur anaplerotischen Auffüllung des Tricarbonsäure-Cyclus entgegengesetzt und erschien zunächst unnütz. Damit wurde erstmals für $\textit{C. glutamicum}$ ein $\textit{Futile cycle}$ im Zentralstoffwechsel nachgewiesen. 4. Sowohl die C$_{4}$-Körper-Decarboxylierung als auch der NADPH-Überschuß waren als Anpassung an eine starke Lysin-Bildung mit einem Ertragskoeffizienten von 0.32 mol$_{Lysin}$ mol$_{Glucose^{-1}}$ minimal. Dies zeigte eine hohe Flexibilität des Zentral stoffwechsels an, mit der durch die Verringerung der zunächst unnütz erscheinenden Metabolitflüsse auf einen gesteigerten Bedarf an NADPH und C$_{4}$-Körpern reagiert wurde. Aus der beobachteten geringen C$_{4}$-Körper-Decarboxylierung von 10 % wurde geschlossen, daß das Malat-Enzym bei der untersuchten Bedingung nur gering zur gesamten NADPH-Bildung von 211 % beitrug. Durch den Pentose-Phosphat-Weg bzw. Tricarbonsäure-Cyclus wurden drei Viertel bzw. ein Viertel des gesamten NADPH gebildet. [...]

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